L’atmosphère terrestre est constituée d’une succession de couches, les plus proches de la surface étant la troposphère (altitude de 0 à 15 km environ à l’équateur) et la stratosphère (15 à 50 km d’altitude environ). La troposphère correspond à la couche où se déroulent les phénomènes météorologiques (nuages, pluie, etc.) et contient la majeure partie de la vapeur d’eau de l’atmosphère. La stratosphère est au contraire très sèche. Le peu de vapeur d’eau qu’elle contient a néanmoins un impact non négligeable sur l’atmosphère. Elle contribue à un effet de serre supplémentaire et agit en tant qu’agent destructeur d’ozone, notamment aux pôles. Depuis le début des années 90, et la mise en œuvre des mesures par satellite, des variations de la quantité de vapeur d’eau sont observées dans la stratosphère, sans que celles-ci soient expliquées par les modèles actuels de circulation atmosphérique. Il est donc important de comprendre pourquoi l’humidité de la stratosphère varie, si l’on veut améliorer la prévision de sa composition dans le contexte du changement climatique.

 Vue de l'orage Hector - © Djambalawa - Own work, CC BY-SA 3.0

Parmi les pistes étudiées, les physiciens s’intéressent de plus en plus aux orages tropicaux et à leurs effets sur l’humidité de la stratosphère. La convection profonde qui se produit au sein de ces orages peut en effet conduire à transporter de la vapeur d’eau, ainsi que des aérosols et des polluants, directement de la troposphère vers la stratosphère. Or l’impact de cette convection profonde a longtemps été considéré comme négligeable, les orages n’atteignant que rarement la stratosphère, et les mécanismes de ces processus de transport restent encore mal connus. Le rôle des orages tropicaux est donc probablement sous-estimé dans les modèles actuels, ce qui limite leur capacité à prévoir le climat futur.

Une équipe du laboratoire d’aérologie (LA, Université de Toulouse, CNRS, UPS) à Toulouse s’est intéressée à l’orage Hector, couramment surnommé « Hector the Convector », l’un des plus importants super orages tropicaux. Chaque année en période de pré-mousson, en novembre-décembre, Hector se développe quasiment quotidiennement au nord de Darwin (Australie). Cet orage présente des ascendances contenant des particules de glace qui atteignent près de 20 km d’altitude, et qui contribuent à hydrater directement la stratosphère.

En s’appuyant sur des mesures réalisées en 2005 par l’avion stratosphérique Geophysica, à plus de 18 km d’altitude, les chercheurs du laboratoire d’aérologie ont réalisé une simulation numérique aux grandes échelles (LES) de l’orage Hector à l’aide du code météorologique communautaire français Méso-NH. Pour la première fois, les chercheurs ont simulé un orage avec une résolution horizontale et verticale de 100 mètres, soit 1,3 milliards de points de calcul. Cette simulation de 10 heures d’orage a été réalisée sur le supercalculateur Turing de l’IDRIS. Elle a mobilisé 16 000 cœurs, consommé 8 millions d’heures et généré 20 To de données.

Simulation de l'orage Hector - © LA/OMP

Ce calcul de haute performance a permis de caractériser les phases de convection de l’orage Hector et de mieux comprendre les mécanismes de transport qui s’y déroulent. Ce fut l’objet de la thèse de Thibaut Dauhut. L’analyse des milliers d’ascendances de Hector a montré que seules les deux plus grandes contribuent à plus de 90 % au flux de masse transporté de la haute troposphère vers la basse stratosphère. Hector hydrate la stratosphère en augmentant localement sa masse de vapeur d’eau de 16%. En extrapolant ces résultats à l’échelle globale, la thèse de Thibaut Dauhut suggère que les orages tropicaux ont un impact important sur le climat, en contribuant pour près de 20 % au flux de vapeur d’eau de la troposphère vers la stratosphère. Ces résultats montrent en outre qu’une estimation fiable de l’hydratation de la stratosphère ne peut être obtenue qu’à partir de résolutions très fines, inférieures à 200 mètres, atteintes pour la première fois dans ce projet.

Les premières simulations de l’orage Hector ont été réalisées sur le supercalculateur Turing à partir de 2012, puis exploitées entre 2014 et 2016 dans le cadre de la thèse de Thibaut Dauhut. Ce projet montre également l’importance de la conservation des données de simulation dans le temps, qui contribuent encore à des avancées scientifiques plusieurs années après. A l’avenir, des calculs supplémentaires seront effectués pour évaluer la sensibilité à la maille du modèle et étudier la pseudo-convergence des résultats à des mailles plus fines encore que 100 mètres. D’autres simulations numériques d’orages tropicaux à haute résolution seront réalisées afin de développer une paramétrisation permettant de prendre en compte l’impact de fine échelle de ces phénomènes orageux dans les modèles de circulation atmosphérique.

Retrouvez la simulation de l’orage « Hector the Convector » en video :

https://youtu.be/xjPumywGaAU [1]

Pour aller plus loin :

Dauhut, T., J.-P. Chaboureau, J. Escobar, and P. Mascart, Giga-LES of Hector the Convector and its two tallest updrafts up to the stratosphere [2], J. Atmos. Sci., 73, 5041-5060, 2016

Dauhut, T., J.-P. Chaboureau, J. Escobar, and P. Mascart, Large-eddy simulations of Hector the convector making the stratosphere wetter [3], Atmos. Sci. Lett., 16, 135-140, 2015

Le site web du logiciel Méso-NH : http://mesonh.aero.obs-mip.fr [4]